[논문 리뷰] Development of a Scalable Quantum Memory Platform -- Materials Science of Erbium-Doped TiO$_2$ Thin Films on Silicon

Manish Kumar Singh, Gary Wolfowicz외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 11.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반에 에르븀 도핑된 트리티움 이산화티탄(Er:TiO₂) 박막을 이용한 확장 가능한 양자 메모리 플랫폼을 제시한다. 실리콘 호환성 있는 제조 공정을 활용하여 칩 통합을 실현한다. 버퍼층과 캡핑층을 최적화함으로써 비균일 폭은 5.2 GHz, 스펙트럼 확산은 180 MHz를 달성하였으며, 다결정 박막에서도 제어 가능한 양자 코herence를 입증하였다. 이는 결정성 박막 대비 결함 내성에서 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Rare-earth ions (REI) have emerged as an attractive candidate for solid-state qubits, particularly as a quantum memory. Their 4f-4f transitions are shielded by filled 5s and 5p orbitals, offering a degree of protection from external electric fields. Embedded within a thin film oxide host, REIs could enable a qubit platform with significant memory capabilities. Furthermore, a silicon-compatible thin film form factor would enable the use of standard semiconductor fabrication processes to achieve chip-based integrability and scalability for functional quantum networks. Towards this goal, we have carried out optical and microstructural studies of erbium-doped polycrystalline and epitaxial TiO$_2$ thin films on Si (100), r-sapphire, and SrTiO$_3$ (100). We observe that the inhomogeneous optical linewidth of the Er photoluminescence is comparable or better for polycrystalline Er:TiO$_2$(grown on Si) in comparison to single crystal epitaxial films on sapphire or SrTiO$_3$, implying a relative insensitivity to extended defects. We investigated the effect of the film/substrate and film/air interface and found that the inhomogeneous linewidth and spectral diffusion can be significantly improved via bottom buffer and top capping layers of undoped TiO$_2$. Using such approaches, we obtain inhomogeneous linewidths of 5.2 GHz and spectral diffusion of 180 MHz in Er:TiO$_2$ /Si(100) films and have demonstrated the engineerability of quantum-relevant properties in these thin films.

연구 동기 및 목표

• 고체 큐비트를 위한 희토류 이온을 활용한 실리콘 호환성 있고 확장 가능한 양자 메모리 플랫폼 개발.
• 박막 산화물에서의 결함 및 인터페이스 효과로 인한 양자 코herence 문제 해결.
• 표준 반도체 제조 공정을 활용한 칩 스케일 통합 구현.
• 장수명 양자 메모리 응용을 위한 Er:TiO₂ 박막의 광학적 특성 최적화.
• 다결정 박막이 구조적 무질서에도 불구하고 결정성 박막보다 핵심 양자 지표에서 뛰어난 성능을 보일 수 있음을 입증

제안 방법

• 펄스 레이저 증착을 이용해 Si(100),蓝 sapphire, SrTiO₃ 기반에 다결정 및 결정성 Er:TiO₂ 박막 성장.
• 인터페이스 관련 디코herence를 감소시키기 위해 무도핑된 TiO₂를 하부 버퍼 및 상부 캡핑층으로 적용.
• Er³⁺ 4f-4f 전이에서 비균일 폭과 스펙트럼 확산 측정을 위해 광발광 분광법 사용.
• 박막 품질과 양자 코herence 지표 간의 상관관계를 분석하기 위해 미세구조 및 광학적 특성 분석 수행.
• 다양한 박막/기반 시스템 간의 양자 성능 비교를 통해 결함 및 인터페이스의 영향을 규명

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반에 에르븀 도핑된 TiO₂ 박막이 확장 가능한 양자 메모리에 적합한 양자 코herence 지표를 확보할 수 있는가?
• RQ2 다결정 박막이 실리콘 기반에, 결정성 박막이 알루미나나 SrTiO₃ 기반에 비해 비균일 폭과 스펙트럼 확산 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 버퍼층과 캡핑층을 통해 Er:TiO₂ 박막의 스펙트럼 확산과 광학 폭을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 Er³⁺의 비균일 폭이 다결정 박막에서의 확장된 결함에 민감한가?
• RQ5 인터페이스 제어를 통해 Er:TiO₂의 양자 특성을 공학적으로 조절하여 실용적 장치 통합을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• Si(100) 기반에 성장한 다결정 Er:TiO₂ 박막은 비균일 폭 5.2 GHz를 나타내며, 알루미나나 SrTiO₃ 기반의 결정성 박막과 비교해도 동등하거나 우수한 성능을 보였다.
• 무도핑된 TiO₂ 버퍼 및 캡핑층을 도입함으로써 스펙트럼 확산이 180 MHz로 감소하여 양자 코herence가 크게 향상되었다.
• 비균일 폭는 다결정 박막의 확장된 결함에 대해 상대적으로 민감하지 않아, 구조적 무질서에 대한 강건성을 보였다.
• 스펙트럼 확산은 박막/기반 및 박막/공기 인터페이스에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 공학적으로 설계된 캡핑 및 버퍼층을 통해 완화될 수 있었다.
• 결과적으로 Er:TiO₂에서 양자 관련 특성은 인터페이스 제어를 통해 공학적으로 조절 가능하며, 실리콘 기반의 확장 가능한 통합을 가능하게 하였다.